Leipzig. Bei der Entwicklung und dem Einsatz des medizinischen 3D-Drucks zählt das Universitätsklinikum Leipzig (UKL) seit rund einem Jahrzehnt zu den Vorreitern in Deutschland und in Europa. So gilt das UKL seit nunmehr 20 Jahren als einer der Pioniere bei der Anwendung 3D-gedruckter Rahmensysteme, die in der Neurochirurgie für besonders präzise stereotaktische Behandlungsmethoden angewandt werden. Inzwischen ist die Palette noch vielseitiger geworden und erstreckt sich auf weitere Fachgebiete. Damit ist das UKL heute eines der europaweit führenden Anwendungszentren für den medizinischen 3D-Druck. Und die Entwicklung geht weiter: Die intensive Forschung am Einsatz der Spatial-Computing-Technik, bei der digitale 3D-Informationen nahtlos mit der physischen Welt verbunden werden, ist ein Beispiel dafür, wie in Leipzig an weiteren 3D-Anwendungsprojekten für noch genauere, schnellere und schonendere Eingriffe im Sinne der Patient:innen gearbeitet wird.
Die Fortschritte, die das Universitätsklinikum Leipzig in den zurückliegenden Jahren bei der Entwicklung und dem Einsatz des 3D-Drucks erreicht hat, sind maßgeblich mit den Namen von Prof. Dirk Winkler und PD Dr. Ronny Grunert verbunden. Beide leiten LEGEND – das Leipzig Neurosurgical 3D Research and Development Center der Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie am UKL und der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig im engen fachlichen Austausch mit Prof. Erdem Güresir, Direktor der Klinik für Neurochirurgie am UKL. Die Schwerpunkte von LEGEND liegen in der Entwicklung von 3D-Anwendungen für die personalisierte Chirurgie sowie in der Entwicklung und Fertigung patientenspezifischer Instrumente, Vorrichtungen und Hilfsmittel unter Nutzung verschiedener 3D-Druck-Technologien. Darüber hinaus arbeitet die Klinik für Neurochirurgie auf diesem Gebiet seit Jahren eng mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Dresden zusammen. „Es ist ein unsagbarer Gewinn, auf die fachliche Expertise des IWU, allen voran die von PD Dr. Grunert zurückgreifen zu können“, so Prof. Dirk Winkler. Aus dieser intensiven und sehr fruchtbaren Kooperation heraus entstand die Technologieplattform „next3D“. Zu ihren Arbeitsschwerpunkten gehören unter anderem eine softwaregestützte Prozesskette, die medizinisches Bildmaterial auswertet, bearbeitet und in dreidimensionale Druckvorlagen überträgt.
Individuell angepasste Rahmensysteme aus dem 3D-Drucker erlauben äußerst präzise Eingriffe
Eines der ersten daraus entwickelten Produkte ist ein individuell angepasstes und 3D-gedrucktes System für neurochirurgische Eingriffe, ein sogenannter Stereotaxie-Rahmen. Mit seiner Hilfe können Biopsienadeln zur Probengewinnung und Elektroden zur Hirnstimulation hochpräzise im Gehirn platziert werden. War die Nutzung derartiger individuell angepasster Systeme aus dem 3D-Drucker noch vor Jahren eine Pionierleistung und galt als technische Revolution, der durchaus auch Skepsis und Zurückhaltung entgegenschlugen, stehen sie heute in der stereotaktischen Neurochirurgie dank eigener patentierter Entwicklungsarbeit unmittelbar vor dem Einsatz und lösen die ehemaligen standardisierten Rahmen ab.
„Sie dienen als passgenaue Platzierungshilfe für Elektroden oder Biopsienadeln und sind als Unikate auf die Anatomie des jeweiligen Patienten zugeschnitten. Mit ihnen sind auf den Zehntelmillimeter genaue Eingriffe möglich, etwa bei der tiefen Hirnstimulation im Rahmen einer Parkinson-Therapie oder bei einer schonenden Gewebeentnahme“, erläutert Prof. Dirk Winkler. Für die Patient:innen bedeutet das einen erheblich kürzeren und schonenderen Eingriff mit gleichzeitig maximaler Genauigkeit und eine immense Arbeitserleichterung für den Operierenden selbst. Positiv kommt hinzu, dass die eingesetzten modernen Kunststoffe des 3D-Drucks gegenüber herkömmlichen Metallrahmen nicht nur wesentlich leichter sind, sondern als Einmalprodukt auch geometrisch komplexere und dennoch kostengünstigere Designs erlauben.
Hochgradig individualisierte Lösungen für Orthopädie und Chirurgie
Der medizinische 3D-Druck eröffnet am UKL aber auch auf anderen Einsatzgebieten individualisierte Lösungen und damit völlig neue Möglichkeiten: So profitieren beispielsweise Orthopädie und Chirurgie neben der operativen Versorgung von Tumoren auch bei der Behandlung von Verletzungen von Extremitäten oder Gelenken: „Durch den Einsatz von 3D-Modellen im Maßstab von 1:1 lassen sich perspektivisch exakt an die individuellen Defekte angepasste Implantate herstellen. Anhand von 3D-Scans gefertigte Orthesen und Prothesen weisen gegenüber Standardmodellen einen deutlich besseren Tragekomfort und ein besseres Passvermögen auf“, beschreibt Prof. Winkler die Vorteile.
3D-Druck in der Gefäßchirurgie kann Leben retten
Auch für die Planung und Durchführung komplexer Eingriffe am Gehirn stellt der medizinische 3D-Druck einen großen Fortschritt dar: „Die patientenspezifischen Modelle und Schablonen verbessern die Sicherheit und Präzision bei der Resektion von Tumoren sowie der Behandlung von Gefäßmissbildungen wie Aneurysmen deutlich“, so der Neurochirurgie-Experte. So kam beispielsweise bereits vor Jahren und seinerzeit weltweit erstmalig in der Gefäßchirurgie des UKL ein individuell erstelltes Kunststoffmodell aus dem 3D-Drucker zum Einsatz, mit dessen Hilfe die Gefäßmediziner:innen ein so genanntes Aortenaneurysma – eine lebensbedrohliche Aussackung der Hauptschlagader – behandeln und damit sogar das Leben von Patient:innen retten. Ein individuelles Modell des Gefäßes aus dem 3D-Drucker auf Grundlage von Computertomografie-Daten hilft hier, eine genau passende Prothese zur Stabilisierung der Aorta herzustellen und zu implantieren. Auf dieses Modell wird die Prothese wie auf einer Schablone aufgezogen und exakt an die Gefäßabzweigungen angepasst. Die Erfolgsaussichten einer Aneurysmaoperation haben sich dadurch deutlich erhöht – vor allem bei Hochrisikopatient:innen, für die keine andere Option mehr in Frage kommt.
Übungen am 3D-Modell verkürzen Operationszeit und erhöhen Patientensicherheit
Anhand von 3D-Modellen können Chirurg:innen kritische Operationsschritte realitätsnah simulieren und daran üben. Dadurch sinkt das Risiko für Verletzungen von gesundem Gewebe, Nerven und feinen Blutgefäßen während der Operation. Bei Hirnoperationen verringert sich durch die detaillierte Vorbereitung der Zeitraum, in dem das Gehirn während des Eingriffs freiliegt, was die Patient:innen schont. Und nicht zuletzt erleichtern dreidimensionale, farbige Modelle es den Patient:innen und Angehörigen, den Befund und den geplanten chirurgischen Eingriff zu verstehen.
Ein weiteres Einsatzfeld, das in den vergangenen Jahren an Bedeutung gewonnen hat, ist die medizinische Helmversorgung. Sie wird zunehmend für die Behandlung von Schädeldeformationen bei Babys oder als Schutzhelm nach einer Kraniektomie (Schädelöffnung) eingesetzt. Der Kopf des Patienten wird dabei mit einem 3D-Scanner digital und damit berührungslos erfasst. Anschließend berechnet das Softwaremodell die ideale Helmform, um das Wachstum des Schädels sanft in die richtige Richtung zu lenken oder empfindliche Bereiche millimetergenau zu schützen. In den meisten Fällen kommen dabei biokompatible Kunststoffe zum Einsatz. Gedruckte Helme sind dadurch deutlich leichter, atmungsaktiver und hygienischer als traditionell gefertigte Modelle.
Datenbrille ermöglicht schon heute Blick in die Zukunft
LEGEND und damit auch das Universitätsklinikum Leipzig zählen heute neben Einrichtungen in Utrecht und Paris zu den wenigen Zentren in Europa, die sich intensiv mit dem Einsatz des Spatial Computing in der Medizin beschäftigen. Hierbei werden Operateur:innen mit Hilfe spezieller Datenbrillen und Headsets hochauflösende Scans, aber auch Vitaldaten, Befunde und weitere relevante Daten der Patient:innen direkt in ihr Sichtfeld projiziert. „Indem der Nutzer mit seinen Augenbewegungen Informationen abrufen und zeitgleich autonom mit der Hand operieren kann, verbessert diese Technologie die präzise Navigation bei Operationen erheblich. Außerdem lassen sich Eingriffe realitätsnah virtuell simulieren“, beschreibt PD Ronny Grunert die Vorteile des Spatial Computing. „Ich danke hier insbesondere Prof. Christoph Josten als Medizinischem Vorstand und Prof. Erdem Güresir, die sich besonders für die Einführung dieser Zukunftstechnologie am UKL einsetzen. Insbesondere Prof. Güresir ist es zu verdanken, diese Technologie in der täglichen Ausbildung und Patientenbetreuung eingeführt zu haben. „Die Erfolgsstory um die Datenbrille wurde vor allem vom Entwicklerteam um PD Dr. Grunert geschrieben“, betont Prof. Winkler.
Bis das Spatial Computing jedoch in der regulären Patientenversorgung zum Einsatz kommt, wird noch etwas Zeit vergehen. Zuvor sind noch weitere umfangreiche Zulassungsschritte nach dem Medizinproduktegesetz erforderlich, bei denen unter anderem die Zuverlässigkeit der Hard- und Software geprüft wird. Denn auch hier steht die Patientensicherheit absolut im Vordergrund.
